用于对涂了层的基板、特别是薄膜-太阳能基板进行热处理的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于对基板进行热处理的方法，特别是一种用于对薄膜基板进行热处理的方法和一种用于对铜铟镓二硒（cigs）太阳能基板进行热处理的方法，该铜铟镓二硒（cigs）太阳能基板用于制造大面积的cigs薄膜太阳能模块。

本发明尤其涉及cigs吸收器的形成。为了形成这种吸收器，借助于已知的方法在玻璃基板上沉积所需的材料，即铜、铟、镓和硒。在沉积期间也已经注意这些材料的混合。

背景技术：

为了形成cigs吸收器，需要在尽可能高的温度下进行热处理。在此，玻璃基板限制了温度的高度，因为必须在玻璃软化温度的范围内、部分地甚至比其略高几度地进行工作。

热处理在此一方面可以在涂层之后在涂了层的基板上进行，另一方面可以把热处理与涂层相组合。取决于变型方案地，热处理可以在规定的大气例如h2s、h2se或se中进行。替代地或补充地，可以在处理箱中进行处理。

在制造太阳能模块时，把cigs吸收器形成到cigs太阳能基板上。该基板在此既在层厚度方面又在基板厚度方面在平面中具有两维的大的延展程度。

基板在平面中的两个侧面因而垂直于该平面地彼此间具有间距，该间距基本上相当于基板厚度。根据在所述平面中的第一侧面和第二侧面的外形，产生了基本上垂直于该平面的外圆周面。外圆周面的面积比所述平面中的侧面的面积小很多。基板可以具有对于本领域技术人员来说已知的不同的外形形状。

平面的典型的尺寸约为1m²。基板的大小决定了要使用的处理设备的大小。通常使用玻璃材料作为基板。

通过涂层，在同时、后续或者在先地进行热处理的情况下，在基板上敷设、形成和/或更改一个或多个功能层。特别是为了形成cigs吸收器的多晶相，必须对基板进行加热直至玻璃软化点附近或其以上，其中，基板尤其是玻璃基板可以弯曲。

例如产生了如下问题：预先涂层的基板会在所谓的硒化炉中因不利的温度曲线或在基板面上的不利的温度分布而弯曲，在所述硒化炉内通过在规定的大气中加热到450至600℃的温度而形成cigs吸收器。

典型的硒化炉被设计用于不同厚度的玻璃基板；典型的厚度为2mm或3mm。此外，可以使用不同特性的玻璃、即具有不同玻璃软化点和/或不同热膨胀系数的玻璃。因此，对于不同类型的玻璃基板而言，热处理工艺的全部的或大部分的工艺参量必须重新求取和设定，这在简单的手动的工艺优化时非常耗费时间和成本。

在热处理期间基板的弯曲导致，最终处理好的太阳能板不能进一步被加工，或者在以后与盖玻璃板粘接时会破碎。允许的弯曲的重要标准是由基板轮廓或基板高度的局部变化而产生的弯曲的梯度。

迄今已经尝试了通过根据经验且手动地再次调节用于施加影响的温度场的工艺参量来解决该问题；但该方案耗费材料和时间。

de102008022784a1涉及用于对物品进行退火的装置及方法。在此使用了临时性的处理箱。

de3608086a1涉及用于在受检查的表面区域中通过在变形的表面上的光束偏转来测量表面变形的检查设备和检查方法。

us6064040a涉及用于对在玻璃面板用的退火炉中的加热进行地点限制或聚焦的方法和装置。

us2009/0199594a1涉及用于控制玻璃的热处理工艺和用于在热处理工艺之后测量玻璃质量的方法。

us6476362b1涉及用于半导体基板的热处理腔的灯布置结构。该灯布置结构含有多个通常环形地布置的灯。这些灯可以布置在一个或多个同心的环中，以便形成通常环形的布置结构。

us2015/0170934a1涉及用于控制基板在热处理腔中的均匀性的方法。该方法具有用于提供关于基板半径的与温度相关的参数的测量过程；使得基板特性与处理参量相关联，以便在径向间距不同的情况下在一温度范围内对基板的变形予以模拟；热处理，从而使得在基板之内的至少一个参考区域的温度与理论的目标温度一致；在基板旋转时测量至少一个参考区域的温度并且测量基板的变形；使得至少一个参考区域的测量温度与基板的模拟变形和基板的所测得的由温度引起的参数相关，以便计算基板在一温度范围内的模拟的形状变化；并且基于基板的模拟的形状变化和基板的实际形状，通过设定基板上的灯温度曲线来调整基板的平整度。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出用来在热处理时避免玻璃基板弯曲的方法和装置。该目的通过独立权利要求的特征得以实现。从属权利要求涉及本发明的其他方面。

本发明基于如下基本构思：双面地加热基板，其中，要予以热处理的那个侧面和/或在其上已经存在涂层或者要形成涂层的那个侧面，被特别均匀地加热，以便引起最佳的、优选均匀的涂层特性，比如形成cigs吸收器的多晶相。但同时，在采用控制算法的情况下，局部地且有针对性地控制对另一侧面的加热，从而防止基板的弯曲，和/或纠正已产生的弯曲。

根据本发明，提出一种用于对平面基板进行热处理的方法，该基板带有待涂层的或已被涂层的第一侧面和与该第一侧面相对置的第二侧面，其中在该第一侧面上的温度分布均匀，且借助加热布置结构来对所述基板的第二侧面予以加热。在此，该方法具有如下方法步骤：测量基板的高度曲线和基板的温度曲线，并且通过控制加热布置结构来使得在高度曲线中测得的与平面的偏差最小化，以便借助控制算法根据基板的特性和测得的高度曲线和温度曲线改变基板的温度曲线。

在该说明书中，术语“涂层”包括对于本领域技术人员来说所公知的下述全部方法，所述方法用于优选以均匀的层例如通过蒸镀、旋涂、物理气相沉积例如阴极溅射、和/或化学沉积法施加一种或多种物质。此外，术语“基板”包括对于本领域技术人员来说所公知的可以设有涂层的全部材料。

此外，在该说明书中，仅在基板的第一和第二侧面或者上面的和下面的侧面之间做出区分。由于基板以在平面中的延展程度为参照的厚度小，所以，垂直于该平面的面虽然存在，但未单独提及。称谓“上面的”和“下面的”参照了在涂层期间基板的通常的取向，其中，优选在上面的侧面上形成涂层；该侧面也称为第一侧面。

此外，在该说明书中，高度曲线是在至少一个测量点处的、优选在多个测量点处的高度测量的测量结果，并且温度曲线是在至少一个测量点处的、优选在多个测量点处的温度测量的测量结果。这些测量点优选形成测量点网络，所述测量点网络至少部分地、优选完全地覆盖该平面。

由这些测量点可以求取弯曲的梯度，该梯度对以后无误地将基板优选与盖玻璃板粘接起来起决定作用。

此外，在该说明书中，术语“最小化”包含了对于本领域技术人员来说所公知的能实现朝向目标值优化测得的实际值的全部方法。在此尤其提到计算机辅助的数学模型，其能实现重复地调整所述调节参数并使得弯曲最小化。

最后，术语“控制算法”描述了一种控制-和/或调控算法，其优选在控制-和调控单元中被执行。控制算法允许控制全部的工艺参量，特别是加热布置结构的控制-和调控参量。

在此，由温度实际值和分段的加热器布置结构，既可以实现利用调节参数的固定地存储的纠正因数进行控制，又可以实现利用调控回路的优选由弯曲的梯度构成的调节参数进行调控。

为了求得控制算法，根据本发明的另一方面，采用至少一个测试基板作为基板，并且优选无级地改变加热布置结构的调控参量和调节参数。针对不同的设定情况，测量未处理的和已处理的测试基板的高度曲线和对应的温度曲线，并与对应的调控参量和调节参数一起存储在数据库中。在对存储在所述数据库中的关于调控参量和调节参数的改变对高度曲线与平面的偏差的改变的影响的信息进行分析的基础上，在进一步考虑到基板类型和基板厚度的情况下，在计算机辅助下确定有待确定的控制算法的参量。

根据本发明的用于求取控制算法的方法也可以通过如下详述的方法步骤来说明：

(a)测量高度曲线、加热布置结构的调节参数和基板的温度曲线；

(b)通过改变加热布置结构的调节参数逐步地改变温度曲线，并测量改变了的对应的高度曲线和温度曲线；

(c)把温度曲线和/或调节参数和对应的高度曲线存储在数据库中；

(d)针对不同的温度曲线和加热布置结构的调节参数，重复步骤(a)至(c)；

(e)根据温度曲线的变化和加热布置结构的调节参数的变化，计算高度曲线的变化值；和

(f)由高度曲线的变化值和加热布置结构的调节参数的变化，求取控制算法。

根据本发明，还提出一种用于实施根据本发明的方法的装置。

特别地，在热处理时，基板可以位于处理箱内，其中，基板放置在处理箱的底部上，并且该处理箱通过盖子来封闭。此外，基板在热处理之前可以完全被涂层，或者可以在热处理期间还通过输送物质、例如h2s-气体或h2se-气体来改变涂层。但也可以在无处理箱的情况下对基板进行热处理并且使其经受相应的算法以用于避免弯曲。

特别优选的是，在根据本发明的热处理期间，产生具有一定的工艺气体的规定的大气。在此，一种或多种如下工艺气体是特别优选的：h2s、h2se、n2。此外，在真空工艺中在小于500mbar范围内的压力和/或在大气工艺中小于或等于1100mbar的压力是优选的，并且在983mbar至1043mbar范围内的压力是特别优选的。通过采用规定的大气，可以在热处理时实现一些效果，例如排出挥发性物质，或者代替某些物质、比如硒或硫。

此外特别优选的是，涉及一种矩形的基板，特别是矩形的玻璃基板。与用于给半导体基板涂层的方法—其中采用高达1200℃的温度—相反，在根据本发明的方法中，采用在450℃至650℃、特别优选500℃至600℃范围内的温度。在这种情况下保证所述温度处于玻璃基板的熔化温度的范围内。

加热布置结构可以设计成能彼此分开地受控制的至少一个上面的加热装置和至少一个下面的加热装置。在此有利的是，至少一个加热装置、优选被设置用于对基板进行加热的加热装置，具有多个加热部件，可以单独地和/或成组地操控这些加热部件。特别有利地，在那个加热装置中使用多个红外辐射器作为加热部件。

热处理工艺可以分成多个工艺步骤，其中，每个工艺步骤都可以在自己的工艺腔中被执行。在每个工艺步骤之后，由在相应的工艺步骤之前和之后测得的高度曲线的差来确定弯曲。利用控制算法来选取控制参数，从而对加热布置结构予以操控，使得在加热时的弯曲在下一个工艺步骤中被抵消。

替代地，每个工艺步骤都可以在同一个工艺腔中被执行。在每个工艺步骤之后，由在相应的工艺步骤之前和之后测得的高度曲线的差来确定弯曲。利用控制算法来选取控制参数，从而对加热布置结构予以操控，使得在加热时的弯曲在下一个工艺步骤中被抵消。

在本发明的一种实施方式中，分别在第一个工艺腔之前和在经过全部的工艺腔之后进行根据本发明的测量。在该实施方式中，并不纠正所测量的基板的弯曲，而是在分别对后续的基板进行热处理时实施根据本发明的纠正。该系统也可以设计成学习的系统，其中，分别在对基板进行处理之后，至少针对新类型的玻璃基板的第一基板进行测量，并且基于该测量来调整控制参数，并且因而针对后续的基板予以优化。

按照有利的方式，高度曲线和/或温度曲线由至少一个测量点构成，并且测量利用至少一个测量装置进行，该测量装置具有至少一个高度测量装置和/或至少一个温度测量装置。

弯曲、即高度曲线优选采用至少相同的局部分辨率（ortsauflösung）予以测量，比如下述局部分辨率，利用该局部分辨率可以进行纠正。因而优选地，测量点的数量和布置与加热部件的数量、布置和延展程度对应。

根据本发明的装置和根据本发明的方法可以集成到已有的工艺或装置中。于是可以在处理之后在从炉子中输出或者输入到炉子中时对基板进行测量，并且然后可以在下一个炉子内进行纠正，或者在后续的处理中在相同的炉子内进行纠正。替代地，根据本发明的装置和方法可以直接在一个炉子内实施，从而可以进行逐步的或者几乎连续的测量和/或纠正。

按照有利的方式，在热处理期间，可以把预先涂层的基板保持在两个玻璃陶瓷板之间。下面的玻璃陶瓷板用作基板承载体，而上面的玻璃陶瓷板与基板保持一间距。由上面的/下面的玻璃陶瓷板和基板构成的单元在此根据本发明例如借助红外辐射器被双面加热。在此，下面的玻璃陶瓷和/或上面的玻璃陶瓷对于热辐射来说是部分通透的。红外辐射器的任务是，均匀地在基板面上产生对于形成cigs吸收器所必需的温度。

在根据本发明的测量装置中的测量传感器采用共聚焦显微镜的原理，且允许非常精确地确定在测量头与基板表面之间的距离。

在本发明的一种实施方式中，未使用连续的玻璃输送，而是固定地在多个相继的工艺腔中对基板进行热处理。在后续说明中只考察单面涂层的用于太阳能应用的板片的情况，但针对其他应用本发明既包含单面涂层，又包含双面涂层。

对工艺参量的纠正如下地进行：不因用来防止弯曲的纠正而损害均匀的温度分布，以便形成cigs吸收器。这按如下方式进行：在顶面上设有不透光层的玻璃基板受到双面加热时，优选利用顶面上的热源对所述层（cigs吸收器）进行加热，而对基板的加热优选通过底面上的辐射器来进行。底面上的辐射器的热辐射可以进入到玻璃中，并有效地加热。换句话说，底面的热辐射器因而主要用于控制玻璃温度和纠正玻璃弯曲。

如上已述，在一种实施方式中，纠正过程可以分配到可供使用的全部工艺腔上。热处理工艺于是例如在多个工艺腔中发生。位于两个玻璃陶瓷板之间的玻璃基板在此在各工艺腔之间输送。在基板堆垛从一个工艺腔过渡到下一个工艺腔内时，该基板堆垛经过温度测量装置，优选2d-热扫描仪，其记录基板堆垛在顶面和底面上的温度曲线。借助多个、优选3个高精度的优选按共聚焦测量原理工作的测量传感器，测量在热处理工艺之前和之后的cigs玻璃基板的高度曲线。在此，测量传感器移动到玻璃基板上方，该玻璃基板安置在优选平坦的且稳定的面上。该稳定的面优选位于装载和卸载操作件的区域中。替代地或补充地，玻璃基板在输送期间在装载和卸载操作件的区域中在上述测量传感器下面穿过。

对cigs玻璃基板的高度曲线的测量优选在热处理工艺之前和之后进行，从而由两个高度曲线所形成的差可以计算出基板的由温度间隔引起的弯曲。类似地，可以由这些温度曲线的差求得与热量引入成比例的测量参数。

高度曲线以及所测得的温度曲线为了后续处理而被输送给数据库。

然后，求取在局部地引入到基板中的热能与可能的弯曲之间的关系。为了求取该关系，可以规定利用测试基板进行试运行。在试运行中，逐级地改变用于在底侧上的各个加热区的能量引入的目标值，并测量对玻璃弯曲的影响。在局部地引入到基板中的能量与由此产生的基板弯曲之间的由此得到的关系，用作用来创建调控参量和调节参数的依据。在首次处理一定类型的优选具有新的厚度和/或另一种玻璃的玻璃基板时，始终都应采用试运行。

在根据本发明的方法中必须考虑到，cigs吸收器的形成—其要求能量非常均匀地分布在吸收器中—在任何情况下都不与用于防止可能的弯曲的措施冲突。这可以通过下述方式来实现：在cigs吸收器侧面上的、即在上面的红外辐射器-辐射器以最高的优先级用于在吸收器中的均匀的温度分布。而在与吸收器相对置的侧面上的、即在下面的红外辐射器-辐射器则用于防止或纠正可能的弯曲。

本领域技术人员知道多种算法，利用这些算法可实现调控-和控制参量的优化。优选地，该算法使用来自数据库的数据，且可选地使用关于基板厚度和/或基板类型的其他信息。特别地，该算法对在温度场与玻璃基板的所测得的高度曲线之间的关系进行分析，基板在其热处理期间受到所述温度场。

在本发明的一种实施方式中，优选在固定的加热布置结构中对基板进行热处理，其中，多个可设定的且进而可调控的加热区安置在玻璃基板的底面和顶面上。优选地，加热装置由多个可单独控制的红外灯构成，从而在加热面积约为1至2m²时存在k个部段。替代地或补充地，部段的数量k按下述方式来提高：红外辐射器分段地构造，于是可以有针对性地操控某些区域、优选边缘区。部段的数量k优选为96。通过操控各个部段，可以对局部地引入到基板中的能量施加影响，并且进而对玻璃基板的局部的温度分布施加影响。因而可以实现局部弯曲的纠正。

从本发明的所介绍的实施方式和方面中得到了如下优点：第一，防止了基板弯曲。第二，减小了基板断裂的危险。第三，可以及早地识别出过程变化。第四，可以补偿引入到基板中的变化的能量，这种能量引入可能因加热部件的老化效应和/或其污染引起。第五，可以减少所需的对加热调控机构的手动干预。

附图说明

下面借助范例和附图详述本发明。其中：

图1示出了根据本发明的一种实施方式的测量布置结构的布置；

图2示出了根据本发明的一种实施方式的加热布置结构的布置；

图3示出了根据本发明的一种实施方式的用于进行测量和调控的方框图。

具体实施方式

根据图1，测量布置结构300由三个分开的安置在基板100的顶面上方的测量装置301构成。在多个、例如三个并排相邻的测量点400处同时进行测量。接下来，要么移动测量布置结构300，要么移动基板100，并且在下一排的相邻的测量点410、420…处进行下一次测量。

根据图2，加热布置结构200由上面的加热装置201和下面的加热装置202构成。每个加热装置都由多个加热部件203构成。在示出的实施方式中所涉及的加热部件在平面的方向上基本上在整个基板上伸展。沿着该方向可以通过对ir辐射器的分段与地点有关地改变辐射功率，其中，可以在基板边缘补偿有可能的温度梯度。用于加热部件的其他的实施方式和布置对于本领域技术人员来说是显而易见的。下述实施方式同样是优选的，在该实施方式中可以给每个测量点都指配至少一个在空间上相对应的加热部件。

图3示出了根据本发明的一种实施方式的用于进行测量和调控的方框图。测量装置300的测量数据被传递给控制-和调控单元500。该控制-和调控单元具有数据检测单元501、预处理单元、数据分析单元503、数据库504、调控单元505和控制单元506。由该图可知各子单元之间的相应的操作连接。此外，可以把控制-和调控单元500的数据传递给可视化单元600。该可视化单元600用于把控制-和调控单元的数据输出给用户和/或与中央的数据处理机构通信。

如图1中所示，测量布置结构300测量高度数据和/或温度数据。对高度数据和温度数据的测量可以在各个测量装置中进行，或者在一个共同的测量装置中进行。优选在空间上分开地布置。温度测量优选在对基板的热处理期间进行。高度数据和/或温度数据被传递给数据检测单元501，并且在那里优选以数字的方式被检测。数据检测单元501把测量数据传递给预处理单元502，在那里将数据优选处理成温度曲线和/或高度曲线。在数据分析单元503中，对测量数据进行分析，优选进行弯曲计算，与数据库505进行通信，并且为控制算法提供数据。在数据库504中分别针对不同的基板类型优选存储直到现在的测量结果、关于可能的控制算法的信息、弯曲与控制-和调控参量的关系以及关于物理特性的信息。未示出、但本领域技术人员已知的是，控制单元506与加热布置结构200、优选与加热装置201、202且进一步优选与加热部件203处于连接中，以便对其进行控制。调控单元505、控制单元506和加热布置结构200因而形成控制-调控-回路。优选的实施方式是闭环回路或开环回路。通过可视化单元600显示控制-和调控过程在全部实施方式中都是任选的。

用于实施根据本发明的方法的装置至少包括如下部件：工艺腔、加热布置结构200、测量装置300与控制-和调控单元500以及任选的可视化单元600。

尽管借助附图及相关说明介绍并详述了本发明，但这些介绍和详细说明应解释性地且示范性地予以理解，而不得限制本发明。不言而喻，在不偏离后续权利要求的范围和本质特征的情况下，本领域技术人员可以做出各种改型和变型。特别地，本发明同样包括具有在前面或后面针对不同的实施方式提及或示出的特征的任意组合的实施方式。

本发明同样包括附图中的各个特征，即使这些特征在那里与其他特征结合地被示出和/或在前面或后面未被提及。实施方式的在附图和说明书中描述的替代方案及其特征的各个替代方案也可能被发明主题或所公开的主题排除在外。公开内容包括下述实施方式，这些实施方式仅仅包括在权利要求书中或在实施例中介绍的特征，并且公开内容也包括下述实施方式，这些实施方式包括附加的其他特征。